高樁碼頭變壁厚鋼管樁環(huán)向焊縫應(yīng)力集中系數(shù)研究

李世亞，向思杰，吳樹航，劉佳偉

(1 重慶交通大學(xué)，省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

引言

大型的港工結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，波浪、風(fēng)、水流及船舶系纜力等荷載，將會(huì)對(duì)鋼管樁基礎(chǔ)產(chǎn)生致命的影響[1],在這些交變荷載循環(huán)作用下，鋼管樁基礎(chǔ)將承受巨大的彎矩作用，導(dǎo)致其焊縫位置處極易產(chǎn)生疲勞破壞。為保證大型海洋工程結(jié)構(gòu)物的安全，焊縫位置處疲勞熱點(diǎn)強(qiáng)度研究至關(guān)重要，而管節(jié)偏位引起的應(yīng)力集中是影響焊縫疲勞強(qiáng)度的核心因素之一。

鋼管樁相比鋼筋混凝土樁具有承載能力高、便于調(diào)節(jié)樁長(zhǎng)、施工便利等優(yōu)勢(shì)，在各種大型工程中都已廣泛運(yùn)用[2]。鋼管樁由鋼板熱軋焊接而成，鋼板被卷成筒狀管段（或稱管節(jié)），為了保證樁的有效長(zhǎng)度又能達(dá)到節(jié)約材料的目的，通常情況下采用壁厚不同的鋼管進(jìn)行連接。但大量實(shí)踐表明，將二者直接進(jìn)行橫向?qū)雍附?，鄰管段之間將產(chǎn)生較大管節(jié)偏位，鋼管焊接位置處的應(yīng)力將發(fā)生較大突變，形成局部范圍內(nèi)應(yīng)力集中。相鄰管節(jié)偏位引起的應(yīng)力集中降低了焊縫處的強(qiáng)度和韌性[3-4]。為了改善這一狀況，常常會(huì)在兩相鄰管段間增設(shè)過渡段，即將厚壁段鋼管的內(nèi)側(cè)進(jìn)行打磨，形成一個(gè)斜坡口以便與薄壁段鋼管連接，如圖1所示。過渡段的設(shè)置有助于降低焊縫位置處熱點(diǎn)應(yīng)力，以達(dá)到提高焊縫疲勞性能的作用[5-7]。

圖1 鋼管樁焊縫示意圖

目前對(duì)焊縫處應(yīng)力集中現(xiàn)象的研究主要是針對(duì)焊趾，原因在于，疲勞裂紋通常發(fā)生在焊趾處，焊趾位置是疲勞破壞的高發(fā)點(diǎn)。因此，獲得焊接接頭處的應(yīng)力集中系數(shù)有助于進(jìn)一步掌握焊趾位置的熱點(diǎn)應(yīng)力分布情況，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)疲勞壽命具有重要意義。鑒于此，本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，探索在彎矩作用下過渡段對(duì)焊縫位置處熱點(diǎn)應(yīng)力的影響，并對(duì)等壁厚鋼管的公式進(jìn)行修正，為變壁厚鋼管環(huán)向焊縫設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

1 焊接應(yīng)力集中的主要理論

在實(shí)際工程中，一般采用應(yīng)力集中系數(shù)來描述焊趾位置處熱點(diǎn)應(yīng)力的大小，所謂應(yīng)力集中系數(shù)SCF=σh/σ0，其中σh代表該點(diǎn)位置處的熱點(diǎn)應(yīng)力，σ0代表該點(diǎn)位置處的名義應(yīng)力，其詳細(xì)描述可見文獻(xiàn)[8]。對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)求解的理論基礎(chǔ)主要分為兩類：經(jīng)典殼理論和平板假設(shè)理論，前者雖考慮了管件的環(huán)向剛度，計(jì)算精度較高[9-10]，但主要針對(duì)端部無約束的管件[11]且需要明確其邊界條件，如焊縫和偏位的具體尺寸，在復(fù)雜條件下的實(shí)用性有限[12]，僅用于軸向荷載作用下的研究。彎矩對(duì)焊縫的影響將比軸向荷載更為顯著，值得進(jìn)一步探究。李怡[13-14]通過平板假設(shè)理論，推導(dǎo)出了彎矩作用下等壁厚鋼管焊縫處應(yīng)力集中系數(shù)的表達(dá)式，如下所示。

當(dāng)鋼管的壁厚遠(yuǎn)小于其半徑，公式（1）的計(jì)算結(jié)果與Lotsberg提出的軸向拉力作用下的應(yīng)力集中系數(shù)公式SCF=1+3δ/t[5-6]相同。當(dāng)鋼管的半徑ri趨近于零時(shí)，即樁身受力以平面彎曲為主，式（1）可轉(zhuǎn)化為李怡等[13-14]提出的計(jì)算方法，SCF=1+3δ/2t。其中δ代表管節(jié)偏位，t表示鋼管的厚度，如圖2所示。

圖2 等壁厚鋼管示意圖

從上述分析不難看出，目前對(duì)于等壁厚鋼管焊縫的研究已較為成熟，但對(duì)于變壁厚鋼管位置處焊縫熱點(diǎn)應(yīng)力的研究還需進(jìn)一步擴(kuò)充。為此齊趙敏、李怡[15-16]對(duì)變壁厚鋼管樁做了相應(yīng)的研究，分析了焊縫位置的受力機(jī)制，但并未考慮過渡段對(duì)焊縫位置熱點(diǎn)應(yīng)力的影響，然而相關(guān)文獻(xiàn)表明[17-18]在軸力、彎矩等荷載作用下，過渡段可以有效降低熱點(diǎn)應(yīng)力，是影響變壁厚鋼管焊縫熱點(diǎn)應(yīng)力一個(gè)重要的因素，為此本文僅針對(duì)平面內(nèi)彎矩作用下變壁厚、無端部約束的鋼管樁進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并通過數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)公式(2)進(jìn)行系數(shù)修正，為變壁厚鋼管樁焊縫設(shè)計(jì)提供參考。

2 模型的建立與分析

為直觀的分析彎矩作用下變壁厚鋼管樁焊縫的應(yīng)力分布情況，以及過渡段對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力的影響。通過數(shù)值模擬的方法對(duì)焊縫和鋼管樁樁身建立三維實(shí)體有限元模型，模型一共分為三部分，包括厚管段、薄管段、焊縫。樁身和焊縫的模擬采用實(shí)體單元，其彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，鋼管的外直徑D，取海工鋼管樁常見的直徑1 m～4 m之間[6]，按照0.2 m遞增。為了提高計(jì)算速度又不失精度，在焊縫位置處網(wǎng)格要適當(dāng)進(jìn)行加密，越遠(yuǎn)離焊縫位置網(wǎng)格越稀疏，此外鋼管模型的約束端距焊縫越遠(yuǎn)，邊界約束條件對(duì)焊縫應(yīng)力的影響就越小。綜合考慮以上因素，本模型將厚壁段的長(zhǎng)度取為鋼管外徑的4倍，將薄壁段長(zhǎng)度取為1 m，綜合文獻(xiàn)[14]與API RP 2A—WSD中模型厚度的常用取法，兩相鄰管段之間的厚度T(厚鋼管的厚度)、t(薄鋼管的厚度)取值分別為25/20、30/25、30/20(mm)，兩相鄰管段間過渡段的長(zhǎng)度設(shè)置為1.5 cm，過渡段的坡比設(shè)置為1:4（即兩管壁厚之差比上過渡段長(zhǎng)度為1:4，如圖1所示）。管壁面網(wǎng)格劃分的基本尺寸1mm，網(wǎng)格個(gè)數(shù)156 320，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)406 432，焊縫尺寸的取值主要參照前期的研究成果[[19-20]，整體網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分示意圖

一般情況下，對(duì)大型結(jié)構(gòu)而言，為了保證其可靠性，結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)考慮為彈性工作狀態(tài)，故本文在彈性狀態(tài)下進(jìn)行研究分析，通過向鋼管兩自由端施加大小為1 000 kN.m 的彎矩來探究其焊縫位置處的應(yīng)力集中系數(shù)，以達(dá)到修正公式（1）的目的，所得結(jié)果將用于變壁厚鋼管樁焊縫的設(shè)計(jì)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬分析結(jié)果如圖4 所示，由圖4 可知，在彎矩作用下，焊縫位置處出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在焊趾位置處，達(dá)到16.25 MPa。

圖4 環(huán)向焊縫應(yīng)力云圖

將數(shù)值模擬結(jié)果與公式(1)所得計(jì)算結(jié)果作比對(duì)，可發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬所得應(yīng)力集中系數(shù)比理論公式結(jié)果要小，說明過渡段長(zhǎng)度起到了降低應(yīng)力集中系數(shù)的作用，將所得結(jié)果繪于表1。

表1 力集中系數(shù)對(duì)比表

從表1 可較為明顯的看出過渡段對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的降低幅度與鋼管的直徑有一定關(guān)系，當(dāng)鋼管的直徑越大，過渡段對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的降低效果就越發(fā)明顯。當(dāng)鋼管直徑在1 m～2.5 m 之間時(shí)，模擬值（包含過渡段）大約是計(jì)算值（無過渡段）的0.95倍，當(dāng)鋼管直徑取2.5 m～4 m 之間時(shí)，前者的計(jì)算所得的應(yīng)力集中系數(shù)結(jié)果大約是后者的0.92 倍。

綜上所述，可知過渡段對(duì)焊縫位置處熱點(diǎn)應(yīng)力的應(yīng)力集中系數(shù)有降低的效果，且與鋼管的直徑相關(guān)，管直徑越大，過渡段對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)降低的效果就越明顯，通過數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果對(duì)等壁厚鋼管焊縫位置處的理論計(jì)算公式進(jìn)行修正，給出了相應(yīng)的修正系數(shù)。當(dāng)鋼管的直徑在1 m～2.5 m 之間時(shí)，其修正系數(shù)大約取0.95，當(dāng)鋼管直徑取2.5 m～4 m 之間時(shí)，修正系數(shù)μ=0.92。在未來的設(shè)計(jì)中對(duì)于樁基較小的鋼管樁如1 m～2.5 m 時(shí)，等壁厚與變壁厚鋼管樁焊縫處熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)較為接近，則可采用式（1）等壁厚鋼管樁熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的公式進(jìn)行計(jì)算，但對(duì)于2.5 m～4 m 之間的大直徑鋼管樁或更大直徑的樁，過渡段具有明顯降低熱點(diǎn)應(yīng)力的作用，采用式(1)對(duì)其計(jì)算過于保守，應(yīng)考慮相應(yīng)的折減系數(shù)μ。

4 結(jié)語

1）通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，過渡段的設(shè)置可有效降低鋼管位置處的應(yīng)力集中系數(shù)，調(diào)節(jié)焊縫位置處的應(yīng)力狀態(tài)，尤其是對(duì)大直徑的鋼管樁，過渡段對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的調(diào)節(jié)作用將會(huì)更加明顯。

2）通過數(shù)值模擬的方法，考慮過渡段對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響，對(duì)已有的理論公式進(jìn)行修正，當(dāng)鋼管的直徑小于2.5 m，修正系數(shù)取0.95，鋼管的直徑位于2.5 m～4 m 之間時(shí)，其修正系數(shù)(折減系數(shù))建議取0.92。

3）通過數(shù)值模擬的方法，對(duì)等壁厚鋼管樁焊縫位置處應(yīng)力集中系數(shù)的理論計(jì)算公式方法進(jìn)行修正，針對(duì)不同直徑的鋼管樁，給出了相應(yīng)的修正系數(shù)用于推測(cè)變壁厚鋼管樁環(huán)向焊縫位置處的熱點(diǎn)應(yīng)力，為進(jìn)一步研究焊趾處裂紋的開裂機(jī)理、評(píng)估焊接接頭的疲勞壽命，了解焊接鋼管樁的疲勞破壞性質(zhì)和探索降低焊縫處應(yīng)力集中的工程措施提供參考。